Odborné znalosti

Minulost a budoucnost vysoce výkonných polovodičových laserů

2021-04-12
Jak se bude stále zvyšovat účinnost a výkon, laserové diody budou i nadále nahrazovat tradiční technologie, měnit způsob zacházení s věcmi a stimulovat vznik nových věcí.
Ekonomové se tradičně domnívají, že technologický pokrok je postupný proces. V poslední době se průmysl více zaměřuje na rušivé inovace, které mohou způsobit přerušení provozu. Tyto inovace, známé jako technologie pro všeobecné účely (GPT), jsou „hlubokými novými nápady nebo technologiemi, které mohou mít zásadní dopad na mnoho aspektů ekonomiky“. Obecná technologie se obvykle vyvíjí několik desítek let a ještě déle přinese zvýšení produktivity. Zpočátku jim nebylo dobře rozuměno. Dokonce i poté, co byla technologie uvedena na trh, došlo k dlouhodobému zpoždění v přijetí výroby. Dobrým příkladem jsou integrované obvody. Tranzistory byly poprvé představeny na počátku 20. století, ale byly široce používány až do pozdních večerních hodin.
Jeden ze zakladatelů Moorova zákona, Gordon Moore, v roce 1965 předpovídal, že polovodiče se budou vyvíjet rychleji, „čímž přinese popularitu elektroniky a posune tuto vědu do mnoha nových oborů“. Přes své odvážné a nečekaně přesné předpovědi prošel desetiletí neustálého zlepšování, než dosáhl produktivity a ekonomického růstu.
Obdobně je omezené chápání dramatického vývoje vysoce výkonných polovodičových laserů. V roce 1962 průmysl poprvé demonstroval přeměnu elektronů na lasery, následovanou řadou pokroků, které vedly k významnému zlepšení převodu elektronů na vysoce výnosné laserové procesy. Tato vylepšení mohou podporovat řadu důležitých aplikací, včetně optického úložiště, optických sítí a široké škály průmyslových aplikací.
Připomínajíc tento vývoj a četná vylepšení, která přinesly na světlo, zdůraznily možnost většího a rozšířenějšího dopadu na mnoho aspektů ekonomiky. S neustálým zdokonalováním vysoce výkonných polovodičových laserů se rozsah důležitých aplikací zvýší a bude mít zásadní dopad na ekonomický růst.
Historie vysoce výkonného polovodičového laseru
16. září 1962 tým vedený Robertem Hallem z General Electric demonstroval infračervenou emisi polovodičů arsenidu gália (GaAs), které mají „podivné“ interferenční vzory, což znamená koherenci Laser - zrod prvního polovodičového laseru. Hall původně věřil, že polovodičový laser je „dlouhý výstřel“, protože v té době byly diody emitující světlo velmi neúčinné. Zároveň k tomu byl skeptický, protože laser, který byl potvrzen před dvěma lety a již existuje, vyžaduje „jemné zrcadlo“.
V létě roku 1962 Halle řekl, že byl šokován efektivnějšími diodami GaAs emitujícími světlo vyvinutými laboratoří MIT Lincoln. Následně řekl, že měl to štěstí, že mohl testovat s některými vysoce kvalitními materiály GaAs, a využil své zkušenosti amatérského astronoma k vývoji způsobu leštění okrajů čipů GaAs za účelem vytvoření dutiny.
Hallova úspěšná demonstrace je založena na konstrukci odrazů záření tam a zpět na rozhraní, nikoli na vertikálním odrazu. Skromně řekl, že nikdo „náhodou nepřišel s tímto nápadem“. Ve skutečnosti je Hallův návrh v podstatě šťastnou náhodou, že polovodičový materiál tvořící vlnovod má také vlastnost omezovat bipolární nosiče současně. Jinak je nemožné realizovat polovodičový laser. Použitím nepodobných polovodičových materiálů lze vytvořit deskový vlnovod, který překrývá fotony s nosiči.
Tyto předběžné demonstrace ve společnosti General Electric byly velkým průlomem. Tyto lasery však nejsou daleko od praktických zařízení. Aby se podpořil vznik vysoce výkonných polovodičových laserů, je třeba uskutečnit fúzi různých technologií. Klíčové technologické inovace začaly pochopením přímých bandgap polovodičových materiálů a technikami růstu krystalů.
Pozdější vývoj zahrnoval vynález dvojitých heterojunkčních laserů a následný vývoj kvantových laserů. Klíč k dalšímu posílení těchto klíčových technologií spočívá ve zlepšení účinnosti a rozvoji pasivace dutin, rozptylu tepla a technologie balení.
Jas
Inovace v posledních několika desetiletích přinesla vzrušující zlepšení. Zejména vylepšení jasu je vynikající. V roce 1985 byl nejmodernější vysokovýkonný polovodičový laser schopen spojit 105 miliwattů energie do jádra vlákna o velikosti 105 mikronů. Nejpokročilejší vysoce výkonné polovodičové lasery nyní mohou produkovat více než 250 wattů 105 mikronového vlákna s jedinou vlnovou délkou - desetinásobný nárůst každých osm let.

Moore vymyslel „připevnění více komponent k integrovanému obvodu“ - poté se počet tranzistorů na čip zvýšil každých 10 let 10krát. Shodou okolností vysoce výkonné polovodičové lasery začleňují do vlákna více fotonů při podobných exponenciálních rychlostech (viz obrázek 1).

Obrázek 1. Jas vysoce výkonných polovodičových laserů a srovnání s Mooreovým zákonem
Zlepšení jasu vysoce výkonných polovodičových laserů podpořilo vývoj různých nepředvídaných technologií. Ačkoli pokračování tohoto trendu vyžaduje více inovací, existuje důvod se domnívat, že inovace technologie polovodičových laserů není zdaleka dokončena. Známá fyzika může průběžným technologickým vývojem dále zlepšovat výkon polovodičových laserů.
Například média s kvantovým bodovým ziskem mohou výrazně zvýšit účinnost ve srovnání se současnými zařízeními s kvantovými jamkami. Pomalý jas osy nabízí další potenciál pro zlepšení velikosti. Nové obalové materiály se zlepšenou tepelnou a roztahovou shodou poskytnou vylepšení potřebná pro průběžné přizpůsobování výkonu a zjednodušenou tepelnou správu. Tento klíčový vývoj poskytne plán pro vývoj vysoce výkonných polovodičových laserů v nadcházejících desetiletích.
Diodově čerpané polovodičové a vláknové lasery
Zdokonalení vysoce výkonných polovodičových laserů umožnilo vývoj navazujících laserových technologií; v následných laserových technologiích se polovodičové lasery používají k buzení (čerpání) dopovaných krystalů (diody čerpané v pevné fázi) nebo dopovaných vláken (vláknové lasery).
Ačkoli polovodičové lasery poskytují vysoce účinnou a levnou laserovou energii, existují dvě klíčová omezení: neuchovávají energii a jejich jas je omezený. V zásadě je třeba tyto dva lasery použít pro mnoho aplikací: jeden pro přeměnu elektřiny na laserovou emisi a druhý pro zvýšení jasu laserové emise.
Diody čerpané polovodičové lasery. Na konci 80. let 20. století začalo použití polovodičových laserů k čerpání polovodičových laserů získávat na popularitě v komerčních aplikacích. Diodově čerpané polovodičové lasery (DPSSL) značně snižují velikost a složitost systémů tepelného managementu (hlavně recirkulačních chladičů) a získávají moduly, které mají historicky kombinované obloukové výbojky pro čerpání polovodičových laserových krystalů.
Vlnové délky polovodičových laserů se vybírají na základě jejich překrytí se spektrálními absorpčními vlastnostmi média pro získání polovodičového laseru; tepelné zatížení je výrazně sníženo ve srovnání s širokopásmovým emisním spektrem obloukové lampy. Vzhledem k popularitě 1064 nm laserů na bázi germania se vlnová délka čerpadla 808 nm stala největší vlnovou délkou v polovodičových laserech po více než 20 let.
Se zvýšením jasu multimódových polovodičových laserů a schopností stabilizovat úzkou šířku čáry emitoru pomocí objemových Braggových mřížek (VBG) v polovině roku 2000 bylo dosaženo druhé generace zlepšené účinnosti čerpání diod. Slabší a spektrálně úzké absorpční vlastnosti kolem 880 nm se staly horkými místy pro čerpadlo s vysokým jasem. Tyto diody mohou dosáhnout spektrální stability. Tyto vysoce výkonné lasery mohou přímo vzrušovat horní hladinu laseru 4F3 / 2 v křemíku, snižovat kvantové defekty a tím zlepšovat extrakci nadprůměrných základních režimů, které by jinak byly omezeny tepelnými čočkami.
Na začátku roku 2010 jsme byli svědky trendu vysoce výkonného škálování laseru 1064nm v jednom křížovém režimu a související řady laserů pro konverzi frekvence pracujících ve viditelných a ultrafialových pásmech. Díky delší životnosti stavu Nd: YAG a Nd: YVO4 s vysokou energií poskytují tyto spínací operace DPSSL Q vysokou pulzní energii a špičkový výkon, což je činí ideálními pro zpracování ablativního materiálu a vysoce přesné aplikace pro mikroobrábění.
optický laser. Vláknové lasery poskytují efektivnější způsob převodu jasu vysoce výkonných polovodičových laserů. Přestože optika s multiplexní vlnovou délkou dokáže převést polovodičový laser s relativně nízkou svítivostí na jasnější polovodičový laser, je to na úkor zvýšené spektrální šířky a optomechanické složitosti. Ukázalo se, že vláknové lasery jsou zvláště účinné při fotometrické přeměně.
Vlákna s dvojitým pláštěm zavedená v 90. letech 20. století používají vlákna s jedním režimem obklopená multimódovým opláštěním, což umožňuje efektivní vstřikování víceimodových laserů s polovodičovým pohonem s vyšším výkonem a nižšími náklady, což vytváří ekonomičtější způsob převodu vysoce výkonný polovodičový laser do jasnějšího laseru. U ytterbiem (Yb) dopovaných vláken pumpa excituje širokou absorpci se středem na 915 nm nebo úzkopásmový prvek kolem 976 nm. Jak se vlnová délka čerpadla blíží vlnové délce laserového vlákna, snižují se takzvané kvantové vady, čímž se maximalizuje účinnost a minimalizuje množství rozptylu tepla.
Jak vláknové lasery, tak diodově čerpané polovodičové lasery spoléhají na vylepšení jasu diodového laseru. Obecně platí, že jak se jas diodových laserů stále zlepšuje, zvyšuje se také podíl laserového výkonu, který pumpují. Zvýšený jas polovodičových laserů umožňuje efektivnější převod jasu.
Jak bychom očekávali, prostorová a spektrální jasnost bude pro budoucí systémy nezbytná, což umožní čerpání nízkých kvantových defektů s úzkými absorpčními charakteristikami v laserech v pevné fázi a multiplexování hustých vlnových délek pro přímé aplikace polovodičových laserů. Plán se stává možným.
Trh a aplikace
Vývoj vysoce výkonných polovodičových laserů umožnil mnoho důležitých aplikací. Tyto lasery nahradily mnoho tradičních technologií a zavedly nové kategorie produktů.
S desetinásobným zvýšením nákladů a výkonu za desetiletí vysoce výkonné polovodičové lasery nepředvídatelnými způsoby narušují normální fungování trhu. Ačkoli je obtížné přesně předpovědět budoucí aplikace, je velmi důležité zhodnotit historii vývoje posledních tří desetiletí a poskytnout rámcové možnosti pro vývoj příštího desetiletí (viz obrázek 2).

Obrázek 2. Aplikace vysoce výkonného laseru s polovodičovým laserovým jasem (náklady na standardizaci jasu na watt)
Osmdesátá léta: Optické úložiště a počáteční specializované aplikace. Optické úložiště je první rozsáhlou aplikací v odvětví polovodičových laserů. Krátce poté, co Hall poprvé ukázal infračervený polovodičový laser, ukázal General Electrics Nick Holonyak také první viditelný červený polovodičový laser. O dvacet let později byly na trh uvedeny kompaktní disky (CD), následoval trh s optickými úložišti.
Neustálá inovace polovodičové laserové technologie vedla k vývoji technologií optického úložiště, jako jsou digitální univerzální disky (DVD) a Blu-ray Disc (BD). Toto je první velký trh pro polovodičové lasery, ale obecně skromné ​​úrovně výkonu omezují jiné aplikace na relativně malé specializované trhy, jako je termální tisk, lékařské aplikace a vybrané letecké a obranné aplikace.
90. léta: Převládají optické sítě. V 90. letech se polovodičové lasery staly klíčem ke komunikačním sítím. Polovodičové lasery se používají k přenosu signálů po sítích s optickými vlákny, ale pro dosažení rozsahu optických sítí a skutečné podpory růstu dat na internetu jsou zásadní jednopólové lasery s vyšším výkonem pro optické zesilovače.
Boom telekomunikačního průmyslu, který přinesl, je dalekosáhlý a jako příklad si vezme společnost Spectra Diode Labs (SDL), jednoho z prvních průkopníků v odvětví vysoce výkonných polovodičových laserů. Společnost SDL, která byla založena v roce 1983, je společným podnikem laserových značek skupiny Newport Group Spectra-Physics a Xerox. Byla uvedena na trh v roce 1995 s tržní kapitalizací přibližně 100 milionů USD. O pět let později byla SDL prodána společnosti JDSU za více než 40 miliard dolarů během vrcholu telekomunikačního průmyslu, jedné z největších technologických akvizic v historii. Brzy poté praskla telekomunikační bublina a zničila biliony dolarů kapitálu, který je nyní považován za největší bublinu v historii.
2000: Lasery se staly nástrojem. Ačkoli prasknutí bubliny na telekomunikačním trhu je extrémně destruktivní, obrovské investice do vysoce výkonných polovodičových laserů položily základ pro širší přijetí. Jak se zvyšuje výkon a náklady, tyto lasery začínají nahrazovat tradiční plynové lasery nebo jiné zdroje přeměny energie v různých procesech.
Polovodičové lasery se staly široce používaným nástrojem. Průmyslové aplikace sahají od tradičních výrobních procesů, jako je řezání a pájení, až po nové pokročilé výrobní technologie, jako je aditivní výroba 3D tištěných kovových dílů. Aplikace pro mikrovýrobu jsou rozmanitější, protože s těmito lasery byly komercializovány klíčové produkty, jako jsou smartphony. Letectví a obranné aplikace zahrnují širokou škálu kritických aplikací a pravděpodobně budou v budoucnu zahrnovat směrové energetické systémy příští generace.
abych to shrnul
Před více než 50 lety Moore nenavrhl nový základní zákon fyziky, ale udělal velká vylepšení integrovaných obvodů, které byly poprvé studovány před deseti lety. Jeho proroctví trvalo celá desetiletí a přineslo s sebou řadu rušivých inovací, které byly v roce 1965 nemyslitelné.
Když před více než 50 lety Hall předvedl polovodičové lasery, vyvolalo to technologickou revoluci. Stejně jako u Mooreova zákona nemůže nikdo předpovědět vývoj vysokorychlostního proudu, kterému následně projde vysokointenzivní polovodičové lasery dosažené velkým počtem inovací.
Ve fyzice neexistuje žádné základní pravidlo, které by tato technologická vylepšení ovládalo, ale neustálý technologický pokrok může laser posouvat z hlediska jasu. Tento trend bude i nadále nahrazovat tradiční technologie, což dále změní způsob vývoje věcí. Více důležitý pro ekonomický růst, vysoce výkonné polovodičové lasery také podpoří vznik nových věcí.